Wi—Fi技術(shù)在光網(wǎng)絡(luò)單元中的應(yīng)用研究
張杰 2011/05/31
引言
隨著互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，現(xiàn)有的以銅纜為傳輸媒質(zhì)、基于不對(duì)稱(chēng)數(shù)字用戶(hù)線(ADSL)技術(shù)為基礎(chǔ)的接入模式已不能適應(yīng)高清視頻等高速率高帶寬業(yè)務(wù)的需求。以太網(wǎng)無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(EPON)是一種點(diǎn)到多點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的光接入網(wǎng)技術(shù)，能在同一EPON網(wǎng)絡(luò)體系中實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、視頻等多業(yè)務(wù)的接入，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)業(yè)務(wù)的透明傳輸。
Wi—Fi(Wireless Fidelity)技術(shù)是基于IEEE 802.11協(xié)議的。無(wú)線接入和高速傳輸是Wi—Fi的主要技術(shù)優(yōu)點(diǎn)。其中IEEE 802.11b最高速度為11 Mbps，IEEE 802.11a與IEEE 802.11g的最高速度為54 Mbps。因此Wi—Fi技術(shù)可以在其覆蓋范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程教育、遠(yuǎn)程醫(yī)療、視頻會(huì)議、網(wǎng)絡(luò)游戲等無(wú)線接入服務(wù)，并且可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)化辦公。
將Wi—Fi無(wú)線接入與EPON系統(tǒng)有線接入融合起來(lái)，這極大豐富了EPON的應(yīng)用范圍，而且可以彌補(bǔ)各自技術(shù)上的不足，充分發(fā)揮光纖接入技術(shù)的高帶寬與無(wú)線技術(shù)的靈活性，使得家庭和辦公用戶(hù)在享受高效、優(yōu)質(zhì)、低成本的寬帶接入服務(wù)外，還能隨時(shí)隨地輕松實(shí)現(xiàn)移動(dòng)辦公和娛樂(lè)。但是Wi—Fi的缺點(diǎn)和成本等原因決定了它無(wú)法取代有線接入網(wǎng)而獨(dú)立存在，因此將Wi—Fi無(wú)線與EPON有線融合，將是未來(lái)接入網(wǎng)的合理趨勢(shì)。
1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。它與傳統(tǒng)的EPON系統(tǒng)的主要區(qū)別在于本系統(tǒng)在普通ONU中融合了Wi—Fi無(wú)線組網(wǎng)方式，同時(shí)為終端用戶(hù)提供有線和無(wú)線兩種方式的服務(wù)。這里將本系統(tǒng)命名為融合型ONU。
1.1 EPON各部分功能
一個(gè)典型的EPON系統(tǒng)主要由OLT(光線路終端)、ODN(光分配網(wǎng))、ONU(光網(wǎng)絡(luò)單元)三部分組成，采用樹(shù)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。上行使用1310nm，下行使用1 490 nm的波長(zhǎng)傳送數(shù)據(jù)和語(yǔ)音，CATV業(yè)務(wù)則使用1 550 nm波長(zhǎng)傳送。OLT放置在中心局端，分配和控制信道的連接，起到匯聚數(shù)據(jù)(TDM)和下發(fā)數(shù)據(jù)(廣播)的作用；ODN是無(wú)源分光器，它將一個(gè)OLT和多個(gè)ONU連接起來(lái)，一般分光比為1：16、1：32、1：64。ONU是EPON系統(tǒng)的用戶(hù)端接入設(shè)備，其主要的功能有：
�、龠x擇接收OLT發(fā)送的廣播數(shù)據(jù)；
�、陧憫�(yīng)OLT發(fā)出的測(cè)距及功率控制命令，并作相應(yīng)的調(diào)整；
③對(duì)用戶(hù)的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，并在OLT分配的發(fā)送窗口中向上行方向發(fā)送；
�、芨鶕�(jù)OLT發(fā)出的OAM幀，執(zhí)行相應(yīng)的OAM功能；
�、萜渌嚓P(guān)的以太網(wǎng)功能。
1.2 融合型ONU的應(yīng)用場(chǎng)景
融合型ONU被設(shè)計(jì)應(yīng)用在FTTX中，F(xiàn)TTX根據(jù)光纖到用戶(hù)的距離來(lái)分類(lèi)，如圖1所示，可分成光纖到交換箱(FTTCab)、光纖到路邊(FTTC)、光纖到大樓(FTTB)和光纖到戶(hù)(FTTH)4種應(yīng)用方式。這里簡(jiǎn)要介紹融合型ONU在FTTH和FTTB中的應(yīng)用方式。
對(duì)于FTTH住宅用戶(hù)，將融合型ONU設(shè)備放置于用戶(hù)家中或商業(yè)用戶(hù)辦公室，在光纖入戶(hù)后由融合型ONU將光信號(hào)終結(jié)，將光接口轉(zhuǎn)換為多種電接口，為電接口終端(電話機(jī)、綜合接入設(shè)備(IAD)、計(jì)算機(jī)和IPTV機(jī)頂盒)提供有線接入，同時(shí)搭配Wi—Fi無(wú)線接入，將使得寬帶與移動(dòng)結(jié)合，則可以達(dá)到未來(lái)寬帶數(shù)字家庭的愿景。
對(duì)FTTB住宅用戶(hù)，將融合型ONU設(shè)備放置于樓道，一般4個(gè)用戶(hù)共用一個(gè)融合型ONU，利用用戶(hù)新建或原有的5類(lèi)線和Wi—Fi無(wú)線入戶(hù)，利用用戶(hù)家中配置的綜合接入設(shè)備(IAD)所提供的RJ11接口和RJ45接口分別連接電話機(jī)、計(jì)算機(jī)和IPTV機(jī)頂盒等終端設(shè)備，同樣也搭配Wi—Fi無(wú)線接入，將使得寬帶與移動(dòng)結(jié)合。
2 Wi-Fi技術(shù)特點(diǎn)
Wi—Fi技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：
①覆蓋范圍廣。Wi—Fi的半徑可達(dá)100 m，很適合在家庭、辦公室及單位樓層內(nèi)部使用；而B(niǎo)luetooth技術(shù)只能覆蓋15 m范圍內(nèi)。
②帶寬大。802.1lg和802.11n的設(shè)備，前者的理論帶寬是54Mbps，后者的理論帶寬是300 Mbps，都遠(yuǎn)高于傳輸CD級(jí)信號(hào)需要的1.411 2 Mbps。
�、鬯俣瓤欤煽啃愿�。在信號(hào)較弱或有干擾的情況下，帶寬可調(diào)整為11 Mbps、5.5 Mbps、2 Mbps等，帶寬的自動(dòng)調(diào)整，有效地保障了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。
�、軣o(wú)需布線。Wi—Fi可以在覆蓋范圍的任何地方使用帶有Wi—Fi功能的設(shè)備進(jìn)行寬帶業(yè)務(wù)。
⑤綠色健康。IEEE 802.11規(guī)定的發(fā)射功率不可超過(guò)100 mW，實(shí)際發(fā)射功率約60～70 mW，手機(jī)的發(fā)射功率約200 mW～1 W，手持式對(duì)講機(jī)高達(dá)5 W，而且無(wú)線網(wǎng)絡(luò)使用方式并非像手機(jī)直接接觸人體，是絕對(duì)安全的。
但同樣Wi—Fi相對(duì)于有線接入也存在缺點(diǎn)：
�、傧到y(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)和頻率干擾等使傳輸速率大大減小。
�、谕l段無(wú)線電波的相互影響和障礙物使得穩(wěn)定性不如有線接入方式。
�、郯踩院蛿�(shù)據(jù)的保密性都不如有線接入方式。
3 融合型ONU的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
融合型ONU的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
主控芯片S3C2440是三星公司近年來(lái)開(kāi)發(fā)的一款基于ARM920T內(nèi)核的16/32位RISC嵌入式微處理器，其高性能、低功耗、小體積、接口豐富的特點(diǎn)能滿(mǎn)足嵌入式系統(tǒng)的要求。其核心RISC處理器實(shí)現(xiàn)了MMU、AMBABUS、Haryard高速緩沖。CPU內(nèi)部集成了數(shù)據(jù)分開(kāi)的16 KB Cache、SDRAM控制器、LCD控制器、4通道DMA、3通道UART、I2C總線、I2S總線、SD接口、觸摸屏接口、8通道10位A/D控制器等，非常方便系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，因此十分廣泛地應(yīng)用于PDA、便攜媒體播放器、衛(wèi)星導(dǎo)航儀以及嵌入式控制器等設(shè)備。
光收發(fā)模塊作為上下行網(wǎng)絡(luò)側(cè)接口，其作用是進(jìn)行光電/電光轉(zhuǎn)換并實(shí)現(xiàn)融合型ONU上行數(shù)據(jù)的發(fā)送和下行數(shù)據(jù)的接收。SerDes作用是進(jìn)行串并/并串轉(zhuǎn)換。交換處理模塊負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)包的交換轉(zhuǎn)發(fā)。Wi—Fi控制芯片用來(lái)控制RF射頻模塊。Flash用來(lái)存放Bootloader引導(dǎo)程序和應(yīng)用程序。SDRAM作為內(nèi)存。UART作為調(diào)試接口對(duì)融合型ONU進(jìn)行調(diào)試。電源電路提供融合型ONU系統(tǒng)內(nèi)部所需要的電源。FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列)獨(dú)立完成信息加密的大量運(yùn)算，相比軟件可以提高速度、節(jié)省時(shí)間。
4 融合型ONU的工作流程
4.1 光收發(fā)模塊的工作流程
光收發(fā)模塊的核心部分采用的是Delta公司的一款EPON ONU收發(fā)器——OPEP-33-A4K1RH，該收發(fā)器主要包括1 310 nm的激光器、InGaAs PIN二極管、前置放大器等，可以接收1 490 nm的連續(xù)數(shù)據(jù)和傳送1 310 nm的突發(fā)數(shù)據(jù)，它所需的工作電壓是+3.3 V。
光收發(fā)模塊的功能連接圖如圖3所示。其中3.SD是光收發(fā)模塊的第3個(gè)引腳，它的功能可以描述為有光輸入時(shí)為邏輯高，否則為邏輯低；4.RD(n)是第4個(gè)引腳，反向接收數(shù)據(jù)的輸出；5.RD(p)是第5個(gè)引腳，正向接收數(shù)據(jù)的輸出；8.BiasCNT(n)是第8個(gè)引腳，控制ONU突發(fā)模式操作的負(fù)脈沖；9.TD(p)是第9個(gè)引腳，正向發(fā)送數(shù)據(jù)的輸入；10.TD(n)是第10個(gè)引腳，反向發(fā)送數(shù)據(jù)的輸入。
4.2 以太網(wǎng)模塊的工作流程
本系統(tǒng)配有4個(gè)10/100M Base-TX以太網(wǎng)業(yè)務(wù)接口，支持10 Mbps和100 Mbps自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)連接速度；以太網(wǎng)模塊的工作電壓為5 V。以太網(wǎng)業(yè)務(wù)接口可以根據(jù)需要擴(kuò)展成8個(gè)、16個(gè)或者24個(gè)，充分滿(mǎn)足不同業(yè)務(wù)量的需要。
以太網(wǎng)模塊的功能連接圖如圖4所示，進(jìn)出以太網(wǎng)接口的信號(hào)都需要經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)濾波器，網(wǎng)絡(luò)濾波器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)選頻電路，它的功能就是允許某一部分頻率的信號(hào)順利的通過(guò)，而另外一部分頻率的信號(hào)則受到較大的抑制。與網(wǎng)絡(luò)濾波器相連的是交換處理模塊中的Port's MAC(M-edia Access Controllers)，用來(lái)解決在共用信道中產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)時(shí)分配信道的使用權(quán)問(wèn)題。
4.3 VOIP模塊的工作流程
本系統(tǒng)配有兩個(gè)POTS電話機(jī)接口，可以連接兩部電話機(jī)。普通電話撥打和接收網(wǎng)絡(luò)話音，必須通過(guò)POTS接口才能進(jìn)行，POTS接口是能夠連接普通電話與ISDN的接口設(shè)備，它能使兩部電話同時(shí)上網(wǎng)并與其他電話通信。
VOIP模塊的功能連接圖如圖5所示。Dual SMD PTC叫做雙重?zé)崦綦娮�，可�?duì)過(guò)熱和過(guò)流雙重作用導(dǎo)致的電路故障進(jìn)行保護(hù)；Tip and Ring(正極線和負(fù)極線)表示組成電話配線電路的兩條電線，Tip是正極線的別稱(chēng)，Ring是負(fù)極電線的別稱(chēng)。
4.4 Wi—Fi模塊的工作流程
Wi—Fi模塊的功能連接圖如圖6所示。本系統(tǒng)的天線是外置天線，這樣能盡量穩(wěn)定信號(hào)。天線與RF射頻模塊相連，RF射頻模塊大致可分為放大模塊、變頻模塊、調(diào)制解調(diào)模塊等有源部件，然后通過(guò)A/D、D/A轉(zhuǎn)換與Wi—Fi控制芯片相連。Wi—Fi控制芯片控制整個(gè)無(wú)線模塊的運(yùn)行。
結(jié)語(yǔ)
ONU是EPON技術(shù)的關(guān)鍵組成部分，融合型的ONU所具有的高寬帶和無(wú)線靈活性是完全能滿(mǎn)足今后市場(chǎng)所需的。隨著EPON技術(shù)的改進(jìn)和建設(shè)成本的降低，融合型ONU將具有廣闊的市場(chǎng)前景，因此Wi—Fi技術(shù)在光網(wǎng)絡(luò)單元中的應(yīng)用研究是非常有實(shí)際意義的。
單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)
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